无人机在油田安全监督中的应用研究

刘新军 刘业博

（1.大庆油田有限责任公司质量安全环保监督评价中心，黑龙江 大庆 163453；2. 中国矿业大学（北京）应急管理与安全工程学院，北京 100083）

0 引言

目前在实践中，油田HSE监督方式主要是以人员现场监督为主，该监督方式简单易行，可有效对现场HSE隐患进行识别判断，并立即进行告知。因此，该监督方式被各油田广泛采用。

但该监督方式对某些现场或监督对象存在不足，主要体现在两方面：一是“三违”行为难发现。实践中，作业人员发现HSE监督人员后，立即停止相关作业活动并离开作业区域，导致人员违章行为有时难以发现。二是现场监督存在盲点。以对大修、钻井、大型施工现场的高处作业监督情况为例，对于井架二层平台、建设施工高处作业面以及高处的设备设施，安全监督人员在地面就难以实施有效监督，存在监督盲点。这些传统人工监督方式的瓶颈问题，在很大程度上制约着安全监督的深入开展。

1 无人机监督的可行性

目前，国内很多油田都相继开展了无人机在电力巡线、应急指挥、排水干渠巡检、管道巡检、油井巡视及安防巡检等方面的应用，并取得了较好的效果。从无人机飞行合规性及设备搭载技术上已具备现场安全监督的可行性。

1.1 飞行合法有保障

目前，很多专门从事无人机技术服务的机构，都已取得民用无人驾驶航空器经营许可证，具有空域管理部门审定的空域飞行权等资质，能够完全合法开展无人机飞行任务。

对此，油田可以聘请这些具备相应资质的技术服务机构在油田各区域执行无人机飞行任务。

1.2 技术能力有保障

目前，从油田的角度来说，基本上都拥有经验丰富的安全监督人员，具备对现场视频中各类违章行为的识别、分析和评估能力，可实现对现场或远程指挥无人机驾驶员执行安全监督任务。

1.3 服务支持有保障

目前，工业级无人机均可配套搭载各种摄像设备，并配有远程集控平台，通过物联网实现对现场执行任务的无人机视频数据远程传输，远程指挥操控，视频图像抓取、拍照等，能够满足影像要求。

2 无人机监督影响因素的分析及对策

目前，无人机应用多用于电力巡检、测绘、基础建设等领域[1-2]，主要搭载摄像机、红外热像仪、微光视夜仪等设备对地面大范围、全方位进行监控[3]。从常用的无人机机型来看，目前市场上工业级多旋翼类型的无人机，从续航时间、抗风能力、工作温度和飞行高度等能满足油田安全监督飞行条件。具体见表1。

表1 适于安全监督的无人机基本参数

2.1 无人机监督的影响因素

对于满足现场应用的无人机，油田在应用过程中，必须在保证飞机安全前提下，确保无人机在视觉、听觉方面“无感知”，实现真正意义上的监督检查“四不两直”（不发通知、不打招呼、不听汇报、不用陪同接待、直奔基层、直插现场），同时，还要持续保持画面清晰及电池可靠。

2.2 视觉感知消除对策

制约视觉效果的因素主要取决于无人机与人的直线距离。理想状态下，无人机距人在2.4 km以上时，则肉眼不可见。笔者团队通过现场试验，在天气晴朗情况下，无人机距人在1.5 km以上时，则可实现肉眼不可见。

为进一步优化飞行高度，本研究将人眼的晶状体看成距视网膜2 cm的一个简单透镜（见图1），并设定无人机在视网膜上成像0.1 mm，0.05 mm，0.025 mm时分别表示较易见、较难见、难见、极难见。

图1 眼睛观察无人机示意图

按照公式(1)在无人机较难见的情况下，计算可得四旋翼无人机人与机距离在170 m以上，六旋翼无人机人与机距离在300 m以上时，地面人员难以看见。计算结果见表2。

表2 无人机飞行距离可视情况统计表

2.3 听觉感知消除对策

本研究主要通过噪声对人机距离影响理论及相关试验结果，确定人耳难察觉条件下不同型号无人机飞行距离最小值。

本研究在实验过程中，取通常情况下地面风速1.7 m/s（2级风），无人机试验现场测定环境噪声为40 dB（较安静），同时在地面用分贝测试仪测试无人机在不同的飞行人机距离产生的噪声值。根据试验结果，无人机飞行时，当人机距离大于100 m时，地面测得噪声值回归到环境噪声值，即40 dB，试验测得噪声数据与损失分数值曲线基本拟合，此时，地面人员很难听到无人机产生的噪声（见图2）。

图2 无人机不同飞行高度噪声变化曲线

2.4 监督影像拍摄距离确定

四旋翼、六旋翼两类无人机搭载的光学变焦镜头，具备40倍变焦功能，即可以在不减少画质分辨率的前提下，将画面中的物体放大40倍。根据本研究在现场试验不同光学变焦倍数，在保证画面清晰度（综合考虑镜头及空气质量影响），且同时满足无感知的情况下，无人机距目标物的飞行距离X1（如图3所示），最远可达到1.6 km（四旋翼无人机）和3 km（六旋翼无人机）。

图3 无人机HSE监督位置关系图

2.5 监督影像拍摄角度确定

无人机执行整体巡视监督时，操作人员可应将飞行器升至目标区域上方100～200 m，并将摄像头向下调整，进行全景图拍摄，此时巡视面积约为10 km2。

无人机执行具体安全问题监督时，操作人员应选择不受遮挡、能确认问题的拍摄角度进行悬停跟踪拍摄。经现场试验，拍摄角度范围在30°～60°时为最佳，同时通过选择合理的变焦倍数，可清楚拍摄并能确认各类“三违”行为问题。

3 无人机在油田HSE监督现场的应用及效果

笔者通过在某油田应用无人机实施监督作业现场443个，发现问题1 257个，其中，“三违”行为问题651个，占51.8%，取得了较好的监督效果，尤其对于现场“三违”行为起到了极大震慑作用。

3.1 高处作业监督

实践中，油田通过应用无人机监督，实现了高处施工监督现场可视。安全监督人员通过无人机从高处向下俯视，可以清楚地观察高处设备设施和作业行为（见图4、图5），而传统的地面监督则难以发现此类问题。

图4 某钻井现场，员工二层平台作业时吸烟、未佩戴安全帽

图5 某修井现场，天车头无护罩、无防跳槽装置

3.2 钻修井搬迁监督

对于钻修井搬迁现场来说，交叉、协同作业频繁，常规监督方式往往难以实现全局性、实时性监督，同时在实践中还存在现场因监督人员介入，作业人员便立即停止施工，致使监督取证难等问题。通过无人机监督，即可实现高处立体直观监督，在实践中取得了较好的监督效果（见图6、图7）。

图6 某修井搬家现场，人员在吊起的井架下方通过

图7 某钻井搬家现场，车辆从吊装物下驶过

3.3 工程建设现场监督

在工程建设现场过程中应用无人机监督，能够实现“快速到达现场”“不易被地面施工人员察觉”，进而在第一时间还原现场实际状况，更好地实现立体动态监督（见图8、图9）。

图8 某建筑施工现场，作业人员无防坠落措施

图9 某吊装作业现场，吊起管道的吊臂下站人

4 结论

根据上述研究，油田应用无人机开展安全监督，监督人员无需抵近目标现场，便可实现对钻井作业现场快速、无感知、全方位监督，能够有效减少监督盲点，弥补传统人工现场监督短板，对现场违章行为能够起到极大震慑作用。